Nghiên cứu biến tính bã mía và ứng dụng làm vật liệu hấp phụ một số hợp chất hữu cơ

Có nhiều vật liệu hấp phụ ñã ñược nghiên cứu và ñược ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của ñời sống như than hoạt tính, zeolit, silicagen, nhựa trao ñổi ion.. - Khảo sát các yếu tố ản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Tự Hải

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện trường Đại học Sư Phạm, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn ñề tài

Bước vào thế kỹ XXI, quá trình công nghiệp hóa, hiện ñại hóa ngày càng ñược ñẩy mạnh cả chiều rộng lẫn chiều sâu, góp phần thiết thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân Song, quá trình ñó cũng kéo theo gánh nặng về ô nhiễm môi trường, trong ñó không thể không kể ñến ô nhiễm nguồn nước

Tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước có nhiều, trong ñó có các tác nhân hóa học như: axit axetic, chất màu phẩm nhuộm, phenol, chất giặt rửa, các ion kim loại nặng,

Các tác nhân hóa học có mặt trong nước thải, ñặc biệt là nguồn nước thải của các nhà máy, cơ sở hóa chất như nhà máy dệt, giấy, thuộc da, lò mổ cần phải ñược xử lí trước khi phát thải vào môi trường

Đã có nhiều phương pháp ñược sử dụng ñể xử lí ô nhiễm nước, trong ñó phương pháp hấp phụ ñã thể hiện nhiều ưu ñiểm riêng: ñó là

ñi từ nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có, qui trình ñơn giản và không ñưa thêm vào môi trường những tác nhân ñộc hại, không ñộc hại cho con người và sinh vật, ñơn giản, phổ cập, hiệu quả, do có thể thu hồi sản phẩm, tập trung chất thải ñể xử lí, hạn chế việc phát thải vào môi trường,

Có nhiều vật liệu hấp phụ ñã ñược nghiên cứu và ñược ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của ñời sống như than hoạt tính, zeolit, silicagen, nhựa trao ñổi ion Hiện nay, có rất nhiều chất hấp phụ rẻ tiền, dễ kiếm (như: bã mía, vỏ lạc, lõi ngô, vỏ dừa, rơm, bèo tây, chuối sợi… ) ñược sử dụng ñể loại bỏ các chất gây ñộc hại trong môi trường nước Bã mía (phụ phẩm của ngành công nghiệp mía ñường)

ñang ñược ñánh giá là tiềm năng ñể chế tạo các vật liệu hấp phụ

(VLHP) ñể xử lí ô nhiễm môi trường

Xuất phát từ tình hình trên, chúng tôi chọn ñề tài:

“Nghiên cứu biến tính bã mía và ứng dụng làm vật liệu hấp

phụ một số hợp chất hữu cơ”

2 Mục ñích nghiên cứu

Biến tính bã mía ñể tạo ra vật liệu hấp phụ một số hợp chất hữu cơ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Bã mía

- Axit HCl, HNO3 và axit Xitric

- Axit axetic (CH3COOH)

- Chất màu nhuộm vải (phẩm nhuộm hữu cơ)

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Xác ñịnh thành phần, cấu trúc của bã mía

- Khảo sát biến tính bã mía bằng dung dịch axit và các yếu tố

ảnh hưởng ñến quá trình biến tính

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ các tác

nhân: axit axetic, chất màu phẩm nhuộm của bã mía ñã ñược biến

tính

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Nghiên cứu lý thuyết

Tổng quan tài liệu về bã mía, axit axetic và chất màu phẩm

nhuộm hữu cơ

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm

- Khảo sát biến tính bã mía bằng dung dịch HCl, HNO3 và axit

Xitric

- Xác ñịnh thành phần và cấu trúc của bã mía chưa biến tính và

ñã biến tính bằng axit

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ axit axetic và chất màu phẩm nhuộm bằng vật liệu bã mía ñã biến tính

- Nghiên cứu nhiệt ñộng học quá trình hấp phụ

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

- Cung cấp tư liệu về bã mía

- Tìm ñiều kiện tối ưu cho quá trình biến tính bã mía

- Tìm ñiều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ axit axetic, chất màu phẩm nhuộm bằng vật liệu bã mía ñã ñược biến tính bằng dung dịch axit

6 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở ñầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 2: NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về cây mía và ứng dụng của nó

1.1.1 Giới thiệu về cây mía

1.1.2 Giới thiệu về vật liệu hấp phụ bã mía

1.1.3 Một số hướng nghiên cứu sử dụng bã mía làm VLHP xử

1.3 Giới thiệu về phương pháp phân tích trắc quang

1.3.1 Cơ sở của phương pháp phân tích trắc quang

1.3.2 Các phương pháp phân tích ñịnh lượng bằng trắc quang

1.4 Phương pháp chuấn ñộ axit- bazơ

1.4.1 Nguyên tắc chung

1.4.2 Chất chỉ thị trong phương pháp axit – bazơ

1.5 Phương pháp phân tích khối lượng

1.5.1 Phương pháp kết tủa

1.5.2 Phương pháp bay hơi

1.6 Phương pháp kính hiển vi ñiện tử quét (SEM)

1.7 Tổng quan về thuốc nhuộm

1.7.1 Lí thuyết cơ bản về màu sắc

1.7.1.1 Tính chất vật lý của màu sắc

1.7.1.2 Màu do hấp thụ

1.7.1.3 Trong thiên nhiên

1.7.2 Phân loại thuốc nhuộm hữu cơ

1.7.2.1 Thuốc nhuộm thiên nhiên

1.7.2.2 Thuốc nhuộm tổng hợp

1.7.3 Vấn ñề sử dụng hợp chất màu- Thuốc nhuộm

1.7.4 Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm

1.7.5 Nguồn phát sinh nước thải trong công nghiệp dệt nhuộm

1.8 Tổng quan về axit axetic

1.8.1 Giới thiệu chung

1.8.2 Sản xuất

1.8.2.1 Carconyl hóa metanol

1.8.2.2 Ôxy hóa axetaldehyt

1.8.2.3 Ôxy hóa etylen

1.8.2.4 Lên men ôxy hóa

CHƯƠNG 2 NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

2.2.3 Diện tích bề mặt của bã mía biến tính

2.2.4 Hình ảnh bề mặt của bã mía của bã mía trước và sau khi biến tính

2.3 Phương pháp biến tính bã mía bằng dung dịch HCl; HNO 3

và axit Xitric

2.4 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ: axit axetic và chất màu phẩm nhuộm của bã mía biến tính 2.5 Phương pháp chuẩn ñộ axit – bazơ ñể xác ñịnh hiệu suất hấp phụ axit axetic

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Kết quả xác ñịnh thành phần hóa học của bã mía trước biến tính

Lấy mẫu bã mía chưa biến tính, ñem ñi phân tích thành phần ở Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2 Theo TCVN

5103 : 1990, ISO 5498 : 1981 Xác ñịnh hàm lượng xơ thô - Phương

pháp phân tích khối lượng Kết quả ñược thể hiện trong bảng 3.1

Bảng 3.1 Thành phần hoá học của bã mía

có một lượng nhỏ các thành phần hoà tan khác như protein, sáp, tro…

3.2 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến khả năng biến tính bã mía bằng axit

Bã mía thô → rửa sạch, phơi khô, cắt nhỏ, ñun sôi trong nước cất 50 phút ñể loại ñường dư → sấy ở 800C trong 26h → xay thành bột → rửa sạch → sấy khô lại ở 800

C, thu ñược bã mía ở dạng bột → ñem biến tính

3.2.1 Ảnh hưởng của các loại axit ñến khả năng biến tính của

bã mía

BIẾN TÍNH: Lấy 4g bã mía bột và 60 ml HCl 5% cho vào bình

cầu 1Lít (tỉ lệ Rắn:Lỏng = 1:15), ñun cách thủy 500C, máy khuấy ñũa trong 3h Để ổn ñịnh trong 10 phút, sau ñó lọc với nước cất nhiều lần bằng phểu lọc áp suất thấp-Busne tới khi nước lọc có pH

≈7 và không còn ion Cl- (thử bằng máy ño pH và AgNO3) Để khô

tự nhiên 30 phút, sau ñó sấy khô bã mía ở 80°C, nghiền thành bột mịn sau ñó ñem hấp phụ axit CH3COOH

Làm tương tự khi không có axit; với HNO3 5% và axit Xitric 5%

ñể so sánh

HẤP PHỤ: Lấy 2g bã mía ñã biến tính của mỗi loại axit ñem

hấp phụ với 200ml CH3COOH 0,2M, khuấy bằng máy khuấy từ tốc

ñộ 150 vòng/phút, thời gian 30 phút, ở nhiệt ñộ thường, ñể ổn ñịnh trong 5 phút Lọc bằng giấy lọc, lấy 10ml dung dịch, chuẩn ñộ bằng NaOH 0,1N ba lần, lấy kết quả trung bình

Gọi C0 = 0,2M và Ci lần lượt là nồng ñộ axit axetic trước và sau khi hấp phụ

Hiệu suất hấp phụ của 2g bã mía ñược tính theo công thức:

C

C C

0

i

0 −

Kết quả hấp phụ ñược thể hiện ở bảng 3.2

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của các loại axit ñến khả năng biến

Kết quả trên cho thấy, khi không có axit thì hiệu suất hấp phụ của bã mía khá thấp Với ba loại axit có cùng nồng ñộ 5% thì bã mía biến tính bằng HCl có khả năng hấp phụ tốt nhất Điều này ñược giải thích là do axit ñã thẩm thấu vào các mao quản bã mía, làm vật liệu này có khả năng hấp phụ tốt hơn Axit HNO3 có hiệu suất hấp phụ thấp hơn HCl có thể là do HNO3 có tính oxi hoá mạnh nên ñã phá vỡ một phần cấu trúc của bã mía Axit Xitric hấp phụ kém hơn hai axit còn lại có thể là do axit hữu cơ có khả năng hoạt hoá bã mía không bằng axit vô cơ Từ kết quả trên, chúng tôi chọn axit HCl là tác nhân biến tính bã mía cho các thí nghiệm tiếp theo

3.2.2 Ảnh hưởng của nồng ñộ axit HCl ñến khả năng biến tính của bã mía

Lấy 4g bã mía lần lượt cho vào 120ml dung dịch HCl nồng ñộ thay ñổi từ 0% → 20% vào bình cầu 1L, nhiệt ñộ 50°C, thời gian khuấy 3h Lấy 2 gam bã mía ñã biến tính hấp phụ với CH3COOH có

C0 = 0,2M Kết quả hấp phụ ñược thể hiện ở bảng 3.3:

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của nồng ñộ axit HCl ñến khả năng

biến tính của bã mía

suất hấp phụ sẽ giảm có thể do axit ñặc sẽ phá vỡ một phần cấu trúc

bã mía Ở nồng ñộ 10%, HCl cũng có hiệu suất hấp phụ tốt nhưng ñể tiết kiệm hoá chất, chúng tôi chọn nồng ñộ HCl 5% cho các lần biến tính tiếp theo

3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến khả năng biến tính của bã mía

- Lấy 4g bã mía vào 60 ml HCl 5% vào bình cầu 1L, thay ñổi nhiệt ñộ ñun cách thủy 300C → 94°C, máy khuấy ñũa trong 3h Lấy

2 gam bã mía ñã biến tính hấp phụ với CH3COOH có C0 = 0,2M Kết

quả hấp phụ ñược thể hiện ở bảng 3.4:

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến khả năng biến tính

giảm khả năng hấp phụ của bã mía Do ñó, nhiệt ñộ khuấy trong thời gian biến tính ñược chọn tối ưu là 500C

3.2.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn-lỏng ñến khả năng biến tính của bã mía

Lấy 4g bã mía và thể tích HCl 5% thay ñổi từ 48ml→160ml vào bình cầu 1L, nhiệt ñộ 50°C, máy khuấy ñũa trong 3h Lấy 2 gam bã mía ñã biến tính hấp phụ với CH3COOH có C0 = 0,2M Kết quả hấp

tích tiếp xúc lớn hơn, ñồng ñều hơn nên hiệu hấp phụ cao hơn Tuy ở

tỉ lệ rắn-lỏng 40-1 hiệu suất hấp phụ cao hơn 35-1 và 30-1 nhưng ñộ chênh lệch không lớn Vì vậy, chúng tôi chọn tỉ lệ rắn-lỏng là 30-1 (4g bã mía với 120ml dung dịch HCl 5%) cho các lần biến tính tiếp theo

3.2.5 Ảnh hưởng của thời gian ñến khả năng biến tính của bã mía

Lấy 4g bã mía và 120ml HCl 5% vào bình cầu 1L, nhiệt ñộ 50°C, thay ñổi thời gian khuấy từ 1h → 6h Lấy 2 gam bã mía ñã biến tính hấp phụ với CH3COOH có C0 = 0,2M Kết quả hấp phụ

6 giờ lớn hơn ở 3 giờ nhưng ñộ chênh lệch không lớn Vì vậy, chúng

tôi chọn thời gian biến tính tối ưu là 3 giờ và thời gian này ñược sử dụng ñể biến tính bã mía cho các khảo sát tiếp theo

Kết luận: Điều kiện biến tính bã mía tối ưu là: Axit HCl 5%,

nhiệt ñộ = 50°C, tỉ lệ R:L = 1:30, t = 3h

3.3 Một số tính chất của bã mía biến tính

3.3.1 Kết quả xác ñịnh thành phần hóa học của bã mía sau

biến tính

Lấy mẫu bã mía ñã biến tính trong ñiều kiện tối ưu, ñem ñi phân tích thành phần ở Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 2 Theo TCVN 5103 : 1990, ISO 5498 : 1981 Xác ñịnh hàm lượng xơ thô - Phương pháp phân tích khối lượng Kết quả ñược thể

3.3.2 Kết quả ño diện tích bề mặt của bã mía biến tính

Hình 3.8 trình bày ñường ñẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ N2trên bã mía ở 77,35K Trong khoảng P/P0 = 0,15 → 1,00, ñường hấp phụ và khử hấp phụ gần như trùng nhau, do ñó khả năng hấp phụ và giải hấp phụ của bã mía biến tính tương ñối ñồng ñều

Từ các số liệu của giản ñồ hấp phụ, ñồ thị phương trình BET của

bã mía ñược xây dựng và trình bày ở hình 3.9

Bằng các phương pháp tính toán dựa trên phương trình BET, diện tích bã mía biến tính ñược xác ñịnh là 165,97 m2/g và ñường kính trung bình mao quản là 85,6 A0 Kết quả này phù hợp với nhiều

số liệu về bề mặt riêng ñã ñược xác ñịnh bởi nhiều tác giả [8], [21]

Từ các số liệu thu ñược, có thể rút ra kết luận rằng, bã mía có diện tích bề mặt tương ñối lớn, là vật liệu rắn xốp, thuộc loại có kích thước mao quản trung bình với hệ thống mao quản chuyển tiếp thứ cấp ñồng nhất

3.3.3 Kết quả chụp ảnh kính hiển vi ñiện tử quét (SEM) của

bề mặt bã mía trước và sau biến tính

Để khảo sát ñặc ñiểm bề mặt của bã mía chưa biến tính và sau khi ñã biến tính trong ñiều kiện tối ưu, chúng tôi tiến hành chụp SEM bề mặt của các vật liêu trên Kết quả ñược thể hiện trong các hình 3.10 và hình 3.11

Qua ảnh SEM của bã mía chưa biến tính và bã mía ñã biến tính ở cùng ñộ phóng ñại và ñộ phân giải, có thể thấy bề mặt bã mía ñã biến tính xốp hơn, có cấu trúc mao quản tương ñối ñồng ñều do ñó nó có

ñộ bền cơ học cao, các tâm hấp phụ ñồng ñều hơn so với bề mặt của

bã mía chưa biến tính Như vậy, sơ bộ có thể ñánh giá ñược khả năng hấp phụ của bã mía ñã biến tính là tốt hơn so với bã mía chưa biến tính

3.4 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng ñến quá trình hấp phụ các tác nhân hữu cơ: axit axetic và phẩm nhuộm hữu cơ trên vật liệu

bã mía biến tính

3.4.1 Kết quả khi dùng bã mía biến tính hấp phụ axit axetic

3.4.1.1 Ảnh hưởng của thời gian khuấy ñến hiệu suất hấp phụ axit axetic của bã mía biến tính

Lấy 2g bã mía ñã biến tính trong ñiều kiện tối ưu trên hấp phụ với 200ml CH3COOH 0,2M; tốc ñộ khuấy 150 vòng/phút, thời gian khuấy hấp phụ thay ñổi từ 10 phút → 180 phút, ở nhiệt ñộ thường,

ñể ổn ñịnh trong 5 phút Lọc bằng giấy lọc, chuẩn ñộ bằng NaOH 0,1N ba lần, lấy kết quả trung bình

Phần trăm hấp phụ của 2g bã mía:

A = .100

C

CC

0

i

Trong ñó: C0 là nồng ñộ axit ban ñầu Ci là nồng ñộ axit còn lại

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của thời gian khuấy ñến hiệu suất

khác như bentonit, than hoạt tính [5,6,8], có thể do khả năng hấp phụ của các polime trong bã mía chậm hơn so với các ôxit, các mạng tinh thể trong các vật liệu vô cơ truyền thống Thời gian 45 phút ñược chọn là thời gian tối ưu cho quá trình hấp phụ và ñược áp dụng cho các lần khảo sát tiếp theo

3.4.1.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ Rắn:Lỏng ñến hiệu suất hấp phụ axit axetic của bã mía biến tính

Làm tương tự như trên, thay ñổi khối lượng bã mía từ 0,5g → 4,5g hấp phụ 200ml CH3COOH 0,2M; tốc khuấy ñộ 150 vòng/phút, thời gian hấp phụ 45 phút ở nhiệt ñộ thường, ñể ổn ñịnh trong 5 phút Lọc bằng giấy lọc, chuẩn ñộ bằng NaOH 0,1N ba lần, lấy kết quả trung bình Hiệu suất hấp phụ của bã mía: A = 100

C

C C0

i

0 −

Với C0 = 0,2M.Phần trăm hấp phụ tính cho mỗi gam bã mía: Ai= A/m (với m là khối lượng bã mía biến tính cho mỗi lần hấp phụ)

Kết quả hấp phụ ñược thể hiện ở bảng 3.9:

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của tỉ lệ Rắn:Lỏng ñến hiệu suất hấp phụ

mía, ta nhận thấy sau 45 phút, ở tỉ lệ Rắn : Lỏng là 2g bã mía biến tính /200ml dung dịch CH3COOH 0,2M thì khả năng hấp phụ của bã mía là lớn nhất (52,5% cho 2g hay 26,25% trên mỗi gam bã mía biến tính) Tỉ lệ Rắn : Lỏng này ñược dùng cho các khảo sát tiếp theo

3.4.1.3 Khảo sát giới hạn hấp phụ axit axetic của bã mía biến tính

Làm tương tự, lấy khối lượng bã mía 2 g hấp phụ với 200ml

CH3COOH có nồng ñộ thay ñổi từ 1M →0,01M; tốc khuấy ñộ 150 vòng/phút, thời gian hấp phụ 45 phút ở nhiệt ñộ thường, ñể ổn ñịnh trong 5 phút Lọc bằng giấy lọc, chuẩn ñộ bằng NaOH 0,1N ba lần, lấy kết quả trung bình

Kết quả hấp phụ ñược thể hiện ở bảng 3.10:

Bảng 3.10 Giới hạn hấp phụ axit axetic của bã mía biến tính

3.4.2 Kết quả khi dùng bã mía biến tính hấp phụ màu phẩm nhuộm

3.4.2.1 Ảnh hưởng của thời gian khuấy ñến hiệu suất hấp phụ